24、芯片故障分析与工艺优化：SOG 污染与钝化层问题解析-优快云博客

芯片故障分析与工艺优化：SOG 污染与钝化层问题解析

1. 引言

在芯片制造和应用过程中，故障分析与工艺优化至关重要。本文将深入探讨两个典型案例，一是 Spin - On - Glass (SOG) 污染导致的单通孔故障，二是利用故障分析技术优化 0.35 um TLM 工艺的钝化过程。通过对这两个案例的详细分析，我们可以了解故障产生的原因、分析方法以及相应的解决措施。

2. SOG 污染导致单通孔故障分析

2.1 故障现象

多个设备在经过电路板组装过程后出现故障，表现为 AUI（Attachment Unit Interface）输出严重衰减，在某些情况下甚至无输出。AUI 是局域网中的一个与介质无关的通信端口。

2.2 初步分析

最初推测故障机制位于 IC 焊盘附近，因为这里是输出驱动器所在位置。但对设备样本的检查发现，焊盘区域附近没有明显的损坏或污染迹象，所以故障可能存在于电路更深处。

2.3 详细分析过程

AUI 差分输出对分析 ：使用 HSPICE 重现了在 ATE 和示波器上观察到的故障模式。发现当 20mA 电流源被钳位到 1mA 或更低时，波形可以匹配。通过电压对比（使用 IDS E - Beam Prober）对电流源部分进行研究，发现 DIGEN2 块似乎正常运行，但 AUI 输出仍有问题。在观察过程中，AUI 输出开始切换，设备恢复正常，且未检测到电气过应力 (EOS)、静电放电 (ESD) 或机械损坏的迹象。
机械探测 ：对其他故障样本进行机械探测以测量电流。当传输数据包设置为 IEEE 规范允许的最大尺寸且帧间间隙尽可能短时，电流源应读取接近 20mA 的电流。探测发现主电源电流远低于正常水平，最初测量为 69μA，再次测量为 65μA。在探测过程中，设备恢复正常，但选择性去处理未发现异常。
烘烤和老化测试 ：对一个设备进行 300°C 烘烤 10 分钟后，AUI 传输 (TX) 完全恢复，并连续成功运行 10 天。随后进行 150°C 老化测试，设备仍能正常通过。但在使用 Thermonics 单元加热时，在 100°C 下测试 1 分钟后，设备再次出现初始故障机制。紫外线实验排除了电路内电荷存储的可能性。
FIB 旁路和最终结果 ：对级联晶体管的低电流读数进行阈值分析，发现 Vt 不是导致故障的因素。通过微探测获得正常工作电流的基线值为 500μA，而故障单元最初探测电流为 65μA，重新探测后设备恢复正常。对晶体管 p81 源极侧的通孔进行旁路操作后，设备恢复功能，但移除旁路后故障再次出现。精确横截面显示通孔存在变形，且钛蚀刻未完全进行，表明存在污染物。

2.4 故障原因及解决措施

故障原因 ：经过长时间分析，故障归因于 Spin On Glass (SOG) 释气导致的通孔污染。所有问题设备都可追溯到特定窄时间段内制造的批次，且发现 SOG 沉积和蚀刻工艺有变化，但问题设备是在变化之前制造的。
解决措施 ：铸造厂提供了两个纠正措施，一是减少 SOG 的厚度，同时增加基底和顶部氧化物层的厚度；二是在 SOG 层上进行额外的砷注入。

2.5 分析流程总结

graph TD;
    A[故障现象：AUI 输出衰减] --> B[初步推测：故障在焊盘附近];
    B --> C[检查焊盘区域：无明显损坏或污染];
    C --> D[详细分析：AUI 差分输出对分析];
    D --> E[机械探测];
    E --> F[烘烤和老化测试];
    F --> G[FIB 旁路和最终结果];
    G --> H[确定故障原因：SOG 污染];
    H --> I[采取解决措施];

3. 优化 0.35 um TLM 工艺的钝化过程

3.1 背景和目的

随着 CMOS 工艺技术的不断发展，产品上市时间窗口和开发周期不断缩短。对于专用集成电路 (ASIC) 制造商来说，需要工艺技术能够适应电路密度、布线风格和芯片尺寸的大变化。本文的目的是通过基本的故障分析技术优化 0.35 um TLM 工艺的钝化方案，以提高产品的长期可靠性。

3.2 0.35 um 互连工艺和钝化层要求

互连工艺 ：包括钝化层、顶层金属 M3 上的金属间空间、金属间氧化物堆栈 IMO - 2 和通孔填充等方面。使用 HSG 进行金属间间隙填充，需要优化基底和帽氧化物层，并通过 CMP 工艺进行全局平面化。
钝化层要求 ：
- 为底层电路结构提供良好的划痕保护，厚且平面化的钝化层更理想。
- 对水分和移动离子不可渗透，保护范围应包括键合焊盘开口区域。
- 应力低，最好是压应力，以减少 Al 金属层的空隙形成。
- 具有共形台阶覆盖，金属线的侧壁和顶部需要最小的钝化厚度。
- 与导体和最后一层金属下方的层间电介质有良好的附着力。

3.3 测试车辆和环境测试

测试车辆 ：在工艺开发阶段使用两种类型的测试车辆。一种是工艺表征模块，用于发现与特定工艺模块或集成问题相关的大规模问题；另一种是类似产品的测试车辆，用于发现布局相关的故障机制。
环境测试 ：进行了两种加速环境测试，分别是在 85°C 和 85% 相对湿度下测试 1000 小时，以及在 121°C 和 100% 相对湿度的压力锅中测试 168 小时。初始钝化方案显示出独特的电气测试特征，即电压相关故障，低电压时开路，高电压时通过。

3.4 故障隔离和分析

故障隔离 ：通过对 SRAM 电路的共性分析，发现四个故障单元共享一个公共 Vdd 节点，问题可能出在 via2 或金属 3 层。
故障分析 ：使用 10:1 CF₄/O₂ 化学物质在反应离子蚀刻机中去除设备钝化层，进行手动横截面分析。横截面显示 IMO - 2 和 via - 2 存在裂缝，在某些情况下裂缝贯穿通孔导致电气故障。其他横截面显示 PSG 层受到水分侵蚀，且金属侧壁没有 SiN 层。

3.5 故障机制和解决措施

故障机制 ：SiN 层虽然覆盖在顶部区域，但金属间空隙形成的通道可能使水分从外部环境进入电路中没有 SiN 保护的位置。芯片在 QFP 封装中受到显著应力，应力与水分共同作用导致氧化层应力腐蚀断裂，在某些情况下铝也会断裂，导致开路。
解决措施 ：减少 PSG 厚度，使一些 SiN 层沉积在金属侧壁上，从而防止水分进入 IMO。同时优化 SiN 沉积工艺，确保在最小金属间间隙下也能沉积所需厚度的材料。

3.6 分析流程总结

graph TD;
    A[确定优化目标：优化钝化方案] --> B[了解互连工艺和钝化层要求];
    B --> C[选择测试车辆并进行环境测试];
    C --> D[故障隔离：确定故障可能位置];
    D --> E[故障分析：横截面分析];
    E --> F[确定故障机制：应力腐蚀断裂];
    F --> G[采取解决措施：调整 PSG 厚度和优化 SiN 沉积];

4. 总结

通过对这两个案例的分析，我们可以看到故障分析在芯片制造和工艺优化中的重要性。在 SOG 污染导致单通孔故障案例中，通过一系列复杂的分析过程，最终确定了故障原因并采取了相应的解决措施。在优化 0.35 um TLM 工艺的钝化过程案例中，利用故障分析技术成功找到了故障机制，并通过工艺调整解决了问题。这些案例为芯片制造过程中的故障解决和工艺优化提供了宝贵的经验。

5. 两种故障案例对比分析

5.1 故障原因对比

案例	故障原因	具体表现
SOG 污染导致单通孔故障	Spin On Glass (SOG) 释气导致通孔污染	通孔存在变形，钛蚀刻未完全进行，表明存在污染物
优化 0.35 um TLM 工艺的钝化过程	应力与水分共同作用导致氧化层应力腐蚀断裂	IMO - 2 和 via - 2 存在裂缝，PSG 层受到水分侵蚀

5.2 分析方法对比

案例	分析方法
SOG 污染导致单通孔故障	AUI 差分输出对分析、机械探测、烘烤和老化测试、FIB 旁路等
优化 0.35 um TLM 工艺的钝化过程	环境测试、故障隔离（共性分析）、横截面分析等

5.3 解决措施对比

案例	解决措施
SOG 污染导致单通孔故障	减少 SOG 的厚度，增加基底和顶部氧化物层的厚度；在 SOG 层上进行额外的砷注入
优化 0.35 um TLM 工艺的钝化过程	减少 PSG 厚度，使 SiN 层沉积在金属侧壁上；优化 SiN 沉积工艺

6. 未来技术展望

6.1 0.25 um 及更小工艺面临的挑战

随着工艺尺寸的进一步缩小，如 0.25 um 及更小工艺，现有的解决方案可能不再适用。在 0.35 um 工艺中通过调整 PSG 厚度和优化 SiN 沉积来解决问题，但当金属间空间进一步减小时，这种方法可能无法有效防止水分进入电路。

6.2 潜在的解决方案

间隙填充钝化工艺 ：使用 HOP（高密度等离子体）CVD 工艺沉积氧化物层，实现无空隙沉积，消除金属间空隙形成的通道，从而避免故障模式。
通道封堵方法 ：在沉积 SiN 层之前，使用旋涂玻璃涂层填充通道的开口，使通道不会暴露在外部环境中，从而防止水分进入。

graph LR;
    A[0.25 um 及更小工艺挑战] --> B[间隙填充钝化工艺];
    A --> C[通道封堵方法];

7. 结论

芯片制造过程中的故障分析和工艺优化是确保产品可靠性和性能的关键环节。通过对 SOG 污染导致单通孔故障和优化 0.35 um TLM 工艺的钝化过程这两个案例的详细分析，我们深入了解了不同故障的产生原因、分析方法和解决措施。在未来，随着工艺技术的不断发展，我们需要不断探索新的故障分析方法和工艺优化策略，以应对更小尺寸工艺带来的挑战，确保芯片产品的高质量和可靠性。

8. 建议

建立完善的故障分析体系 ：在芯片制造过程中，建立一套系统的故障分析流程和方法，能够快速准确地定位故障原因，提高解决问题的效率。
加强工艺监控和改进 ：定期对制造工艺进行监控和评估，及时发现潜在的问题并进行改进，避免故障的发生。
开展技术研发合作 ：与科研机构和其他企业开展合作，共同探索新的工艺技术和解决方案，以应对未来工艺发展的挑战。

建议	具体内容
建立完善的故障分析体系	建立系统的故障分析流程和方法，提高定位故障原因的速度和准确性
加强工艺监控和改进	定期监控和评估制造工艺，及时发现并解决潜在问题
开展技术研发合作	与科研机构和企业合作，探索新的工艺技术和解决方案